一種單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，根據(jù)單晶渦輪葉片的晶粒取向要求，設(shè)計并制造帶有特定螺旋選晶器的一體式陶瓷鑄型。針對定向凝固制造單晶葉片時，截面突變處(如葉身與緣板交接處)型殼厚度加大，傳熱能力降低，容易造成雜晶等晶體缺陷的現(xiàn)象，在滿足澆鑄強度的要求下，通過拓撲優(yōu)化，設(shè)計傳熱通道，提高鑄型傳熱能力，進而提高定向凝固時固-液界面前沿的溫度梯度，使得整個葉片都能獲得良好的單晶組織。
【專利說明】一種單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于快速鑄造領(lǐng)域，涉及一種單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]單晶葉片是基于定向凝固技術(shù)發(fā)展出的一種沿葉身方向完全消除晶界織構(gòu)的葉片。具有優(yōu)良的高溫抗蠕變、抗熱機械疲勞、抗氧化腐蝕性能和較高的承溫能力。為了獲得高質(zhì)量的金屬單晶體，首先要在金屬熔體中形成一個單晶核。目前，在單晶渦輪葉片的制造中，主要采用螺旋選晶器來獲得單晶核。螺旋選晶器是在鑄件本體的下部設(shè)置的一個空腔，它由起晶段和螺旋選晶段組成。以往通過熔模鑄造方式制造單晶葉片時，為獲得完整的鑄造原型，需將螺旋選晶器的蠟?zāi)Ｑb配到葉片蠟?zāi)Ｉ?，耗費時間，且精度難以保證。所以，發(fā)展一種帶有螺旋選晶器的單晶渦輪葉片樹脂模型一體化制造方法尤為重要，可以很好的解決以往熔模鑄造蠟?zāi)Ｖ谱髦醒b配精度低，耗費時間長的缺點。
[0003]傳統(tǒng)熔模鑄造方法中，型殼的制造主要采用多次涂掛的方法，制作出的型殼外形不可控，容易在截面突變處(葉身與緣板交接處)造成型殼厚大的現(xiàn)象。繼而降低該處的傳熱能力，造成雜晶等晶體缺陷。以往為改善陶瓷型殼的導(dǎo)熱能力，采用了在葉片型殼榫頭上涂石墨層和在厚截面拐角處貼石墨導(dǎo)熱體等技術(shù)，能較好改善陶瓷型殼的導(dǎo)熱性，但增大了型殼制造的難度和成本。所以，利用光固化成型技術(shù)，制造帶有拓撲傳熱通道的樹脂模殼，進而制造帶有拓撲傳熱通道的鑄型，可以在不增加鑄型制造難度和成本的前提下，很好的提高鑄型截面突變處的傳熱能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明解決的問題在于提供一種單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，解決傳統(tǒng)單晶渦輪葉片鑄型制造中螺旋選晶器裝配精度低、晶粒形態(tài)難以控制的問題，提高單晶渦輪葉片制造的質(zhì)量和精度。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0006]一種去除整體式陶瓷鑄型樹脂模具的方法，包括以下步驟:
[0007]I)根據(jù)單晶渦輪葉片晶粒取向的要求，利用鑄造有限元軟件設(shè)計相匹配的螺旋選晶器，包括螺旋選晶段的匝數(shù)、相鄰螺旋段的距離和起晶器的尺寸；
[0008]2)根據(jù)帶有螺旋選晶器的單晶空心渦輪葉片設(shè)計初始鑄型，將其導(dǎo)入鑄造有限元軟件中，進行傳熱和應(yīng)力分析；在應(yīng)力計算過程中，針對應(yīng)力集中的區(qū)域，改變鑄型的型殼外壁的形狀以消減應(yīng)力；根據(jù)各個時刻熱應(yīng)力分布情況，選擇符合熱強度、受應(yīng)力最小的壁厚，以該壁厚為消減應(yīng)力后初始鑄型的均勻壁厚，得到二次鑄型；
[0009]3)將設(shè)計好的二次鑄型置于定向凝固的模擬環(huán)境中進行傳熱分析，得到二次鑄型的傳熱規(guī)律及溫度梯度分布，針對截面突變處，以鑄型強度作為初始邊界條件，通過拓撲優(yōu)化，設(shè)計傳熱通道，提高截面突變處的傳熱能力，形成三次鑄型；
[0010]4)然后對三次鑄型重復(fù)傳熱分析、應(yīng)力分析和定向凝固模擬分析，并進行修改直到變截面處復(fù)合定向凝固的溫度梯度要求，并能承受定向晶生長過程中受到的應(yīng)力，得到定型鑄型；
[0011]5)將設(shè)計好的鑄型通過光固化快速成型技術(shù)制造出樹脂原型模具，利用凝膠注模的方法制造單晶渦輪葉片陶瓷鑄型。
[0012]所述的帶有螺旋選晶器的渦輪葉片樹脂模型及初始鑄型在UG軟件中設(shè)計構(gòu)建。
[0013]所述帶有螺旋選晶器的渦輪葉片樹脂模型一體化制造，將設(shè)計好的螺旋選晶器CAD模型裝配到葉片CAD模型上，應(yīng)用造型軟件對零件的三維模型進行抽殼處理，將實心零件抽為空心，抽殼厚度為0.6-3mm，然后利用光固化快速成型設(shè)備制作出帶有螺旋選晶器的渦輪葉片樹脂原型。
[0014]所述的步驟2)中消減應(yīng)力的形式為鈍化型殼外壁的尖銳部分，直到消除應(yīng)力集中或降低應(yīng)力集中。
[0015]所述二次鑄型置于ProCAST軟件提供的定向晶生長的模擬環(huán)境中進行輻射傳熱分析，在ProCAST軟件中建立預(yù)熱模型時有以下設(shè)置:
[0016]5.1)設(shè)置鑄件和模殼的換熱系數(shù)為O ;
[0017]5.2)在模殼表面設(shè)置傳熱邊界條件，設(shè)置VIEW FACTOR為ON并設(shè)定輻射率；
[0018]5.3)設(shè)置鑄件為EMPTY，設(shè)置鑄件狀態(tài)為FULL ；
[0019]通過預(yù)熱模型完成預(yù)熱計算后，使用模殼溫度分布結(jié)果，建立輻射傳熱分析的計算模型，包括以下設(shè)置:
[0020]5.4)在預(yù)熱計算中提取模殼的溫度分布狀態(tài)；
[0021]5.5)改變鑄件和模殼的O換熱系數(shù)；
[0022]5.6)去除模殼內(nèi)表面換熱邊界條件，設(shè)置鑄件狀態(tài)為FULL ；
[0023]在輻射傳熱分析的計算模型上進行輻射傳熱分析，在分析時鑄件的合金材料參數(shù)的推算采用Lever模型，設(shè)置VIEW FACTOR為0N，運行參數(shù)的設(shè)置在輻射傳熱計算中的Radiation模塊設(shè)定,福射扣箱及模殼相對應(yīng)；
[0024]完成輻射傳熱分析后，得到模殼及鑄件的溫度分布及傳熱規(guī)律，即溫度場分布圖；根據(jù)溫度分布情況和模型進行溫度梯度計算，得到溫度梯度分布圖；并結(jié)合熱應(yīng)力場分布情況、溫度場分布情況及溫度梯度分布情況，進行綜合分析，指導(dǎo)鑄型設(shè)計。
[0025]所述的輻射扣箱的移動速率設(shè)置為鑄件用金屬液的凝固速率。
[0026]所述設(shè)計初始陶瓷鑄型，利用有限元軟件進行定向凝固過程中的傳熱及晶粒組織分析，針對截面突變處陶瓷型殼厚大，傳熱能力降低，容易造成晶體缺陷，以鑄型強度作為初始邊界條件，通過拓撲優(yōu)化，改進鑄型結(jié)構(gòu)，設(shè)計傳熱通道，提高該處傳熱能力。
[0027]所述通過光固化快速成型技術(shù)制造出樹脂原型模為:
[0028]光固化樹脂模具的設(shè)計在UG軟件中完成，基于定型鑄型，根據(jù)部件的功能和形狀確定澆注位置、設(shè)計澆冒口 ；并根據(jù)GB/T6414-1999增加鑄造圓角R0.5?I ;光固化樹脂模具添加澆注外殼，外殼厚I?2mm，并在外殼上添加增強肋片；
[0029]在光固化樹脂模具設(shè)計完成后以STL形式導(dǎo)出，再將STL文件導(dǎo)入Magics軟件中抽殼、添加支撐，導(dǎo)出SLC文件JfSLC文件加載到光固化成型機RPbuild軟件中，控制光固化成型機自動制備樹脂件；
[0030]制備完成后，去除樹脂件輔助支撐，用酒精清洗樹脂原型件2?3次，保證殘留液態(tài)樹脂完全清理干凈。
[0031]所述凝膠注模成型采用以下方法進行陶瓷漿料的制備:
[0032]I)依據(jù)光固化樹脂模具的容積及陶瓷粉料顆粒的固相含量計算去離子水的體積，然后依次加入有機單體、交聯(lián)劑和分散劑，攪拌溶解，用濃氨水調(diào)節(jié)溶液的pH值為10?11，得到有機物濃度為20%的預(yù)混液；
[0033]2)將陶瓷粉料分批加入預(yù)混液中，加入2?3倍質(zhì)量的磨球，球墨Ih左右，獲得粘度小于IPa.S、固相體積分數(shù)為58?63vol%的陶瓷漿料；
[0034]所述的陶瓷粉料主要包括粒度40 μ m的粗顆粒氧化鋁粉體、粒度2?5 μ m的細顆粒的氧化鋁粉體和氧化鎂礦化劑。
[0035]所述的凝膠注模的方法制備單晶渦輪葉片陶瓷鑄型包括:
[0036]I)依次將催化劑及引發(fā)劑加入陶瓷漿料，并使其快速均勻分散，接著將樹脂原型模具放置于振動注漿機中，振動頻率為30Hz?60Hz，注入陶瓷漿料，獲得陶瓷素坯；然后在真空下冷凍干燥，使陶瓷素坯中的水分從固態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)；
[0037]2)然后將陶瓷素坯脫去樹脂，脫去樹脂后預(yù)燒結(jié)，預(yù)燒結(jié)溫度<1250°C ;預(yù)燒結(jié)后的陶瓷鑄型內(nèi)部存在一定的灰燼，用壓縮空氣對陶瓷型殼內(nèi)的殘留灰燼進行清理，壓縮空氣壓力小于2Mpa ；
[0038]3)最后進行終燒結(jié)，燒結(jié)溫度1350°C?1550°C，獲得陶瓷鑄型。
[0039]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0040]本發(fā)明提供的單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，根據(jù)單晶渦輪葉片的晶粒取向要求，設(shè)計并制造帶有特定螺旋選晶器的一體式陶瓷鑄型。針對定向凝固制造單晶葉片時，截面突變處(如葉身與緣板交接處)型殼厚度加大，傳熱能力降低，容易造成雜晶等晶體缺陷的現(xiàn)象，在滿足澆鑄強度的要求下，通過拓撲優(yōu)化，設(shè)計傳熱通道，提高鑄型傳熱能力，進而提高定向凝固時固-液界面前沿的溫度梯度，使得整個葉片都能獲得良好的單晶組織。
[0041]本發(fā)明提供的單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，采用了 CAD-CAE技術(shù)的一體化設(shè)計，做到設(shè)計時的一體化；可以通過有限元計算結(jié)果指導(dǎo)三維模型數(shù)據(jù)的修改，例如:單晶渦輪葉片定向凝固有限元計算時，發(fā)現(xiàn)鑄型截面突變處傳熱能力低，容易造成晶粒缺陷，可以通過設(shè)計傳熱通道的方式，修改模型，提高模型傳熱能力。
[0042]本發(fā)明提供的單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，還解決了傳統(tǒng)鑄型在定向凝固時，傳熱復(fù)雜不可控的問題，例如:澆鑄時截面突變處傳熱性能降低，導(dǎo)致該處容易出現(xiàn)雜晶等晶體缺陷的現(xiàn)象。
[0043]本發(fā)明提供的單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，也避免了傳統(tǒng)型殼制造時，型殼外形不可控的問題，例如:無法在需要加強傳熱的地方設(shè)置傳熱通道，無法在需要加強型殼強度的地方設(shè)置加強筋，本發(fā)明方法可以根據(jù)分析和實驗結(jié)果對鑄型做適應(yīng)性的改進。
[0044]在基于光固化成型的快速鑄造工藝和凝膠注模的陶瓷成型工藝中，本發(fā)明方法解決了傳統(tǒng)熔模鑄造方法制造單晶渦輪葉片存在的裝配精度低問題。例如:蠟?zāi)Ｖ圃熘?，螺旋選晶器蠟?zāi)Ｅc葉片蠟?zāi)Ｑb配存在偏差。
[0045]本發(fā)明提供的單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，縮短了鑄型的設(shè)計及制造周期，提升了鑄型的性能，大大降低了生產(chǎn)成本?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0046]圖1為帶有螺旋選晶器單晶渦輪葉片設(shè)計過程示意圖(從左至右:螺旋選晶器設(shè)計，單晶渦輪葉片示意圖，裝配完成后模型示意圖)
[0047]圖2為作為鑄件的葉片的示意圖；
[0048]圖3為鑄件的澆注系統(tǒng)的示意圖；
[0049]圖4為鑄型的三維設(shè)計示意圖；
[0050]圖5為型殼熱應(yīng)力隨厚度的時間-應(yīng)力變化,橫坐標為時間,縱坐標為應(yīng)力；
[0051]圖6為型殼熱應(yīng)力隨厚度的時間-熱應(yīng)力變化,橫坐標為時間,縱坐標為熱應(yīng)力；
[0052]圖7為鑄件熱物性參數(shù)(Ni基高溫合金K4169)分析圖，其中各圖中橫坐標均為溫度，縱坐標分別為固相率、熱傳導(dǎo)系數(shù)、密度和熱焓；
[0053]圖8為變截面處的溫度場分布圖及高溫區(qū)示意圖(從左至右:變截面處溫度場云圖，高溫區(qū)背面示意圖，高溫區(qū)正面示意圖)；
[0054]圖9為變截面所在位置示意圖；
[0055]圖10傳熱通道分布示意圖；
[0056]圖11最終優(yōu)化后變截面處溫度場分布云圖。
【具體實施方式】
[0057]下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0058]一種單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，包括以下步驟:
[0059]I)根據(jù)單晶渦輪葉片晶粒取向的要求，結(jié)合鑄造有限元軟件的計算及實驗，設(shè)計螺旋選晶器，包括螺旋選晶段的匝數(shù)、相鄰螺旋段的距離和起晶器的尺寸；
[0060]2)根據(jù)帶有螺旋選晶器的單晶空心渦輪葉片設(shè)計初始鑄型，將其導(dǎo)入鑄造有限元軟件中，進行傳熱和應(yīng)力分析；在應(yīng)力計算過程中，針對應(yīng)力集中的區(qū)域，改變鑄型的型殼外壁的形狀以消減應(yīng)力；根據(jù)各個時刻熱應(yīng)力分布情況，選擇符合熱強度、受應(yīng)力最小的壁厚，以該壁厚為消減應(yīng)力后初始鑄型的均勻壁厚，得到二次鑄型；
[0061]3)將設(shè)計好的二次鑄型置于定向凝固的模擬環(huán)境中進行傳熱分析，得到二次鑄型的傳熱規(guī)律及溫度梯度分布，針對截面突變處(葉身與緣板交接處)陶瓷型殼厚大，傳熱能力降低，容易造成雜晶等晶體缺陷的現(xiàn)象，以鑄型強度作為初始邊界條件，通過拓撲優(yōu)化，設(shè)計傳熱通道，提高截面突變處的傳熱能力，形成三次鑄型；
[0062]4)然后對三次鑄型重復(fù)傳熱分析、應(yīng)力分析和凝固組織分析，并進行修改直到變截面處復(fù)合定向凝固的溫度梯度要求，并能承受定向晶生長過程中受到的應(yīng)力，得到定型鑄型；
[0063]5)將設(shè)計好的鑄型通過光固化快速成型技術(shù)制造出樹脂原型模具，利用凝膠注模的方法制造最終鑄型。
[0064]具體的，對于帶有螺旋選晶器的渦輪葉片樹脂模型設(shè)計，下面給出了某型單晶渦輪葉片樹脂模型的設(shè)計過程:
[0065]根據(jù)單晶渦輪葉片晶粒取向的要求，結(jié)合鑄造有限元軟件的計算及實驗，設(shè)計螺旋選晶器，包括螺旋選晶段的匝數(shù)、相鄰螺旋段的距離和起晶器的尺寸，利用三維建模軟件建模。
[0066]根據(jù)國家標準GB/T6414-1999《鑄件尺寸公差》要求，設(shè)計過渡段，將螺旋選晶器三維模型裝配至所需制造的渦輪葉片上。
[0067]導(dǎo)出STL文件，利用光固化成型工藝制作帶有螺旋選晶器的渦輪葉片樹脂模型，作為鑄造用的原型。某型單晶渦輪葉片樹脂模型設(shè)計過程如圖1所示。
[0068]具體的，帶有拓撲傳熱通道的某型渦輪葉片鑄型設(shè)計過程:
[0069]根據(jù)圖2所示的渦輪葉片的三維模型，葉片高約192.5臟，連接隼根約80臟，隼根最寬處約166_。并結(jié)合頂注式澆注位置設(shè)計，考慮將薄壁葉身設(shè)置在遠離澆冒口的位置這一原則，設(shè)計如圖3所示的澆注系統(tǒng)。選擇頂注式是出于以下考慮:燃氣輪機空心渦輪葉片形狀復(fù)雜，壁薄且不均勻，不合理的澆注系統(tǒng)使葉片產(chǎn)生較多缺陷。底注式澆注系統(tǒng)不易將薄壁結(jié)構(gòu)充型完全，所以選擇頂注式澆注位置。
[0070]另外，將葉身設(shè)置在遠離澆冒口位置是出于以下考慮:在定向凝固過程中，鑄型先被預(yù)熱，然后經(jīng)過真空熔煉的金屬液將鑄型完全充滿，然后移動至定向凝固爐的加熱區(qū)、絕熱區(qū)和冷卻區(qū)進行定向晶體的生長。這樣設(shè)置澆冒口位置，使得制造的葉片質(zhì)量較高。
[0071]根據(jù)鑄造工程師手冊，設(shè)計澆口杯上端直徑140mm，下端直徑80mm，澆口杯高度50mm。由阻流面積法即Osann公式校核內(nèi)澆道面積，并利用模數(shù)法校核澆冒口尺寸，上述尺寸符合實際澆注要求。
[0072]根據(jù)圖3設(shè)計鑄型，鑄型三維圖見圖4。在三維軟件(如UG軟件)中設(shè)計初始鑄型，此時的鑄型壁厚為均勻的。比如選擇6mm、9mm、12mm和15mm幾種均勻壁厚的型殼進行熱應(yīng)力計算。并在ProCAST軟件應(yīng)力分析模塊進行熱應(yīng)力計算。注意，此處的熱應(yīng)力計算為普通熱場及應(yīng)力場計算，并不是定向凝固條件下的計算，原因是金屬液的充型在進入定向凝固爐前已經(jīng)完成。
[0073]圖5、圖6為不同厚度型殼澆冒口處的熱應(yīng)力分析，由圖可見，當型殼厚度由15mm減小到9mm時,任一時刻的熱應(yīng)力都隨著厚度的減小而降低,而當型殼厚度為6mm時,型殼熱應(yīng)力顯著增加，甚至高于15_厚度型殼的熱應(yīng)力。
[0074]其中，圖5為熱應(yīng)力隨時間的變化圖，方塊表示厚度為6mm的熱應(yīng)力變化圖，為最上一條曲線；圓點表不厚度為9mm的熱應(yīng)力變化圖為最下一條曲線；上二角表不厚度為12_的熱應(yīng)力變化圖，為從下數(shù)第二條曲線；下三角表示厚度為15_的熱應(yīng)力變化圖，為從下數(shù)第三條曲線，表明型殼厚度為9_的型殼熱應(yīng)力最小。圖6中可以看出在各個時刻，厚度為9mm型殼的熱應(yīng)力均為最小。
[0075]接著將初始鑄型置于定向晶生長的模擬環(huán)境(如ProCAST軟件)中進行熱應(yīng)力及輻射傳熱分析。然后將初始鑄型導(dǎo)入鑄造軟件(如ProCAST軟件)中進行傳熱及應(yīng)力分析，查看各個時刻的熱應(yīng)力分布情況，確定一種符合熱強度設(shè)計的最優(yōu)化型殼壁厚。
[0076]要完成輻射傳熱分析，在ProCAST軟件中需要先完成預(yù)熱計算，建立預(yù)熱模型需要注意:
[0077]I)設(shè)置鑄件和模殼的換熱系數(shù)為O ;
[0078]2)在模殼表面設(shè)置傳熱邊界條件，設(shè)置VIEW FACTOR為ON并設(shè)定輻射率；
[0079]3)設(shè)置鑄件為EMPTY。
[0080]完成預(yù)熱計算后，使用模殼溫度分布結(jié)果，建立輻射傳熱分析的計算模型，在輻射傳熱中需要注意:
[0081]I)在預(yù)熱計算中提取模殼的溫度分布狀態(tài)；
[0082]2 )改變鑄件和模殼的O換熱系數(shù)；
[0083]3)去除模殼內(nèi)表面換熱邊界條件。由于定向凝固過程中，金屬液的充型在真空熔煉爐中完成，此處計算只需要完成傳熱計算，所以設(shè)置鑄件狀態(tài)為FULL。
[0084]傳熱計算中模擬主要的控制點:
[0085]I)高溫合金材料參數(shù)。一般空心渦輪葉片所用的高溫合金成分都非常復(fù)雜，沒有現(xiàn)成的材料參數(shù)圖可以查看。但是可以根據(jù)計算模型進行推算。ProCAST軟件中有材料參數(shù)數(shù)據(jù)庫和進行推算的計算模型能完成高溫合金材料參數(shù)推算。高溫合金材料參數(shù)的推算采用Lever模型。
[0086]2)邊界條件。在第一步預(yù)熱計算和第二步輻射傳熱計算中都要將VIEW FACTOR置于ON狀態(tài)。
[0087]3)運行參數(shù)在輻射傳熱計算中的Radiation模塊(RUN PARAMETER)中設(shè)定，注意福射扣箱及模殼相對應(yīng)。
[0088]具體的，在厚度為9mm的均勻壁厚型殼上進行熱場分析。熱場分析所用到的型殼熱物性參數(shù)為:熱擴散系數(shù)1.513±0.002mm2/s,比熱為0.784±0.017J/(g.K)，熱導(dǎo)率為
2.3580.004ff/(m.K)。以上熱物性參數(shù)由LFA447閃光導(dǎo)熱儀測定。熱場分析所用到的葉片熱物性參數(shù)可以由ProCAST軟件材料數(shù)據(jù)庫計算得到，見圖7。
[0089]將上述熱物性參數(shù)輸入PioCAST軟件進行熱場計算。初始條件為葉片金屬液溫高1600°C，型殼溫度為輻射加熱1550°C。邊界條件為葉片底部施加35°C水冷盤邊界，凝固界面處施加35 °C冷凝環(huán)邊界。
[0090]在應(yīng)力計算的過程中查看應(yīng)力集中的區(qū)域，應(yīng)力集中的存在會使得高溫合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)在定向凝固過程中，型殼出現(xiàn)熱裂或金屬液沖擊出現(xiàn)裂紋等缺陷的發(fā)生，為了避免這些缺陷及問題的出現(xiàn)需要將型殼外壁進行消減應(yīng)力處理。消減應(yīng)力的形式主要為鈍化型殼外壁的尖銳部分。
[0091]需要注意的是，定向凝固過程中鑄型為輻射加熱和散熱，在ProCAST計算過程中要添加輻射扣箱?？巯湟苿铀俾室话阍O(shè)置為金屬液的凝固速率。
[0092]完成上述所有計算后會得到模殼及葉片鑄件的溫度分布及傳熱規(guī)律，即溫度場分布圖；根據(jù)溫度分布情況和模型進行溫度梯度計算(ProCAST溫度參數(shù)計算法)，即溫度梯度分布圖。結(jié)合應(yīng)力計算的熱應(yīng)力場分布情況，溫度場分布情況及溫度梯度分布情況，進行綜合分析，指導(dǎo)鑄型設(shè)計。
[0093]圖8為鑄型一次設(shè)計時變截面處(葉身與緣板交接處)的溫度場分布，可以看出變截面處由于型殼突然增厚，傳熱能力降低，在葉片內(nèi)部形成了不均勻的溫度場，主要的高溫區(qū)位于排氣邊周圍(如圖8所示高溫區(qū)域)。不均勻的溫度場分布容易在葉片根部造成雜晶等缺陷，進而降低整體葉片的性能(變截面所在位置如圖9所示)。
[0094]鑄型的溫度分布除了與鑄型及鑄件的物性參數(shù)有關(guān)外，主要取決于鑄型的形狀。因此為使變截面處取得較為平均的溫度場分布，有必要對該處的鑄型結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化。
[0095]根據(jù)初始鑄型的溫度場分布規(guī)律，針對高溫區(qū)域進行結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化。通過設(shè)計垂直于型殼表面的傳熱通道，達到提高型殼散熱能力的目的，具體實施方法:根據(jù)溫度場分布云圖，判定高溫區(qū)域所在部位，設(shè)計傳熱通道，傳熱通道的主要調(diào)控參數(shù)為:通道孔徑R，通道深度D和通道間間距G。散熱較慢區(qū)，增大通道孔徑，深度，減小通道間間距，散熱較快區(qū)，減小通道孔徑，深度，增大通道間間距，甚至可以不設(shè)計散熱通道。然后重復(fù)計算，修改傳熱通道參數(shù)，直到整個截面處溫度分布均勻，修改二次設(shè)計，完成三次設(shè)計。以上設(shè)計必須在滿足鑄型強度要求的條件下完成；2、鑄型厚度的最小值為根據(jù)應(yīng)力計算得出的鑄型厚度。
[0096]傳熱通道具體設(shè)計方法為:
[0097]取出變截面處溫度場云圖進行分析，如圖8。觀察到葉片橫截面的拓撲形狀為長扁形，并且在長向一邊內(nèi)凹。在散熱過程中，位于排氣邊附件散熱較慢，為了保持在同一橫截面鑄型內(nèi)溫度場保持一致，即在型殼的周向和徑向不存在溫度梯度，按照溫度場計算的分布結(jié)果進行拓撲傳熱通道的設(shè)計。針對每個高溫區(qū)域分別進行傳熱通道的設(shè)計，并對溫度場分布進行校核，直至整個截面處完成傳熱通道設(shè)計，最終形成二次設(shè)計。
[0098]如圖8所示，高溫區(qū)域處于黑框內(nèi)位置，此處散熱較慢，需進行傳熱通道設(shè)計，按照軟件計算出的溫度分布量度進行傳熱通道的布置，設(shè)計傳熱通道的孔徑R，深度D和間距G，提高該區(qū)域的散熱能力。設(shè)計后的傳熱通道分布如圖10所示。并將修改過的鑄型導(dǎo)入到Procast軟件中進行傳熱分析，并進行優(yōu)化計算。
[0099]上述設(shè)計方法為變截面處某一高溫區(qū)域的型殼傳熱通道拓撲優(yōu)化設(shè)計方法，如要使得整個變截面處滿足溫度場分布均勻的要求必須按照上述設(shè)計、分析方法完成每一區(qū)域的設(shè)計，設(shè)計完成后再次將鑄型三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Procast軟件中進行輻射傳熱計算，如果未獲得理想的溫度分布結(jié)果，還需要傳熱通道，重復(fù)上述步驟，直到滿足溫度分布均勻的要求。
[0100]獲得優(yōu)化過的鑄型厚度后，再次在ProCAST軟件中進行應(yīng)力及一般傳熱計算，校核型殼強度。
[0101]三次鑄型設(shè)計:
[0102]完成二次設(shè)計后，將帶有傳熱通道的鑄型置于ProCAST軟件中進行輻射傳熱計算。熱物性參數(shù)、初始條件、邊界條件等均不改變。然后進行溫度場查看，溫度梯度分析，進一步修改傳熱通道參數(shù)，進行三次設(shè)計，如圖11所示為最終優(yōu)化后的截面溫度場分布，整個截面溫度場分布均勻，且葉片內(nèi)部無明顯高溫區(qū)。
[0103]然后重復(fù)應(yīng)力計算及傳熱計算，修改設(shè)計，直到整個變截面處溫度場分布均勻，并能承受定向晶生長過程中受到的應(yīng)力，確定鑄型三維設(shè)計，即為型殼的最終設(shè)計。
[0104]完成設(shè)計后，基于光固化一體化成型技術(shù)，根據(jù)最終的鑄型設(shè)計對光固化原型進行詳細設(shè)計，并添加必要的輔助工藝結(jié)構(gòu)，如澆注外殼等，制造樹脂原型及澆注殼，然后利用凝膠注模的方法制造出符合設(shè)計的陶瓷(AL-系)鑄型，然后在真空定向凝固爐(三室，包含真空熔煉室，保溫室及冷卻室)中完成定向凝固高溫合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如葉片的定向生長。
[0105]具體方法為:使用最終的模殼設(shè)計，在UG軟件中完成相應(yīng)的樹脂原型及澆注殼設(shè)計，接著在光固化成型機中制造出樹脂原型及澆注殼；然后調(diào)配好符合強度及性能要求的Al-系陶瓷漿料，利用樹脂原型及澆注殼鑄造陶瓷模殼，經(jīng)過固化、干燥、預(yù)燒結(jié)及終燒結(jié)等步驟，獲得最終的陶瓷鑄型實體；最后在真空定向凝固爐中制造單晶渦輪葉片產(chǎn)品。
[0106]陶瓷型殼制備的主要控制點:
[0107]I)原材料與設(shè)備。制備陶瓷鑄型所用的原材料必須存放在封閉包裝袋或封閉包裝桶中，在干燥、通風的環(huán)境下保存。制備陶瓷型殼的原材料成分主要包括粗顆粒(40 μ m)和細顆粒(2?5μπι或納米級)氧化鋁粉體、氧化鎂礦化劑、去離子水、丙烯酰胺、亞甲基雙丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉(濃度18%左右)、聚乙二醇、過硫酸銨(濃度30%左右)、四甲基己二胺(濃度25%左右)和濃氨水等。所用到的設(shè)備主要包括光固化快速成型機(SPS450B)、球磨機、凝膠注模成型機、真空冷凍干燥機和真空壓力浸潰機。
[0108]2)光固化原型設(shè)計及制備。光固化原型的設(shè)計在UG軟件中完成，根據(jù)GB/Τ6414-1999增加鑄造圓角R0.5?I。基于單晶渦輪葉片的三維造型，根據(jù)部件的功能和形狀確定澆注位置、設(shè)計澆冒口。然后再澆注系統(tǒng)外添加澆注外殼，外殼用于保證陶瓷型殼外形和厚度，為了保證陶瓷漿料充型后整個樹脂原型具有足夠的強度，樹脂外殼厚I?2mm，并在澆注外殼上添加增強肋片，厚1mm，寬3?5mm。在UG軟件中完成上述設(shè)計后，將數(shù)據(jù)以STL行駛導(dǎo)出，導(dǎo)出設(shè)置三角公差為0.05，相鄰公差為0.05，自動法線生成。然后將STL文件導(dǎo)入Magics軟件中抽殼、添加支撐，導(dǎo)出SLC文件。將SLC文件加載到光固化成型機RPbuild軟件中，控制光固化成型機自動制備樹脂件。制備完成后，去除樹脂件輔助支撐，用工業(yè)酒精清洗樹脂原型件2?3次，保證殘留液態(tài)樹脂完全清理干凈。注意:葉片原型與澆注外殼分別制造，然后裝配到一起，這樣做便于清洗樹脂原型，并且易于對葉片原型表面進行后處理。
[0109]3)陶瓷漿料調(diào)配
[0110]這一過程首先完成預(yù)混液的制備。依據(jù)光固化樹脂模具的容積及陶瓷粉料顆粒的固相含量計算去離子水的體積，然后依次加入有機單體(丙烯酰胺或其替代物)、交聯(lián)劑(亞甲基雙丙烯酰胺)和分散劑(聚丙烯酸鈉)等，攪拌溶解，用濃氨水調(diào)節(jié)溶液的PH值，保持在堿性范圍(10?11)內(nèi)，最終得到有機物濃度為20%的預(yù)混液。然后制備水基陶瓷漿料。將陶瓷粉料分批加入預(yù)混液中，加入2?3倍質(zhì)量的磨球，球墨1.5h以上，獲得粘度小于IPa.S、固相體積分數(shù)為58?63vol%的陶瓷漿料。
[0111]4)陶瓷鑄型的制備
[0112]先完成素坯的制作，即依次將催化劑(四甲基己二胺)及引發(fā)劑(過硫酸銨)加入陶瓷漿料，并使其快速均勻分散，接著將樹脂模具放置于振動注漿機中，振動頻率為30Hz?60Hz，注入陶瓷漿料(該過程必須保持陶瓷漿料流動平穩(wěn)且緩慢，保證漿料中氣泡的順利排出)，獲得陶瓷素坯。然后在真空下冷凍干燥。進行冷凍干燥的目的是使素坯中的水分從固態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，這樣可以控制陶瓷鑄型的收縮率。下一步進行陶瓷鑄型的脫脂與預(yù)燒結(jié)(燒結(jié)溫度<1250°C )。然后進行多次浸潰(該步非必須，如果陶瓷鑄型的強度足夠，該步可以省略)。最后，進行終燒結(jié)(燒結(jié)溫度1350°C?1550°C)。注意:預(yù)燒結(jié)后的陶瓷鑄型內(nèi)部存在一定的灰燼，用壓縮空氣對陶瓷型殼內(nèi)的殘留灰燼進行清理，壓縮空氣壓力小于2MPa。
[0113]獲得符合定向凝固要求的陶瓷鑄型后，將其置于三室真空定向凝固爐中進行單晶潤輪葉片鑄造。
【權(quán)利要求】
1.一種單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)根據(jù)單晶渦輪葉片晶粒取向的要求，利用鑄造有限元軟件設(shè)計相匹配的螺旋選晶器，包括螺旋選晶段的匝數(shù)、相鄰螺旋段的距離和起晶器的尺寸； 2)根據(jù)帶有螺旋選晶器的單晶空心渦輪葉片設(shè)計初始鑄型，將其導(dǎo)入鑄造有限元軟件中，進行傳熱和應(yīng)力分析；在應(yīng)力計算過程中，針對應(yīng)力集中的區(qū)域，改變鑄型的型殼外壁的形狀以消減應(yīng)力；根據(jù)各個時刻熱應(yīng)力分布情況，選擇符合熱強度、受應(yīng)力最小的壁厚，以該壁厚為消減應(yīng)力后初始鑄型的均勻壁厚，得到二次鑄型； 3)將設(shè)計好的二次鑄型置于定向凝固的模擬環(huán)境中進行傳熱分析，得到二次鑄型的傳熱規(guī)律及溫度梯度分布，針對截面突變處，以鑄型強度作為初始邊界條件，通過拓撲優(yōu)化，設(shè)計傳熱通道，提高截面突變處的傳熱能力，形成三次鑄型； 4)然后對三次鑄型重復(fù)傳熱分析、應(yīng)力分析和定向凝固模擬分析，并進行修改直到變截面處復(fù)合定向凝固的溫度梯度要求，并能承受定向晶生長過程中受到的應(yīng)力，得到定型鑄型； 5)將設(shè)計好的鑄型通過光固化快速成型技術(shù)制造出樹脂原型模具，利用凝膠注模的方法制造單晶渦輪葉片陶瓷鑄型。
2.如權(quán)利要求1所述的單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，其特征在于，所述的帶有螺旋選晶器的渦輪葉片樹脂模型及初始鑄型在UG軟件中設(shè)計構(gòu)建。
3.如權(quán)利要求1所述的單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，其特征在于，帶有螺旋選晶器的渦輪葉片樹脂模型一體化制造，將設(shè)計好的螺旋選晶器CAD模型裝配到葉片CAD模型上，應(yīng)用造型軟件對零件的三維模型進行抽殼處理，將實心零件抽為空心，抽殼厚度為.0.6-3mm，然后利用光固化快速成型設(shè)備制作出帶有螺旋選晶器的渦輪葉片樹脂原型。
4.如權(quán)利要求1所述的單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，其特征在于，所述的步驟2)中消減應(yīng)力的形式為鈍化型殼外壁的尖銳部分，直到消除應(yīng)力集中或降低應(yīng)力集中。
5.如權(quán)利要求1所述的單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，其特征在于，所述二次鑄型置于ProCAST軟件提供的定向晶生長的模擬環(huán)境中進行輻射傳熱分析，在ProCAST軟件中建立預(yù)熱模型時有以下設(shè)置: 5.1)設(shè)置鑄件和模殼的換熱系數(shù)為O ; 5.2)在模殼表面設(shè)置傳熱邊界條件，設(shè)置VIEW FACTOR為ON并設(shè)定輻射率； 5.3)設(shè)置鑄件為EMPTY，設(shè)置鑄件狀態(tài)為FULL ； 通過預(yù)熱模型完成預(yù)熱計算后，使用模殼溫度分布結(jié)果，建立輻射傳熱分析的計算模型，包括以下設(shè)置: 5.4)在預(yù)熱計算中提取模殼的溫度分布狀態(tài)； 5.5)改變鑄件和模殼的O換熱系數(shù)； 5.6)去除模殼內(nèi)表面換熱邊界條件，設(shè)置鑄件狀態(tài)為FULL ； 在輻射傳熱分析的計算模型上進行輻射傳熱分析，在分析時鑄件的合金材料參數(shù)的推算采用Lever模型，設(shè)置VIEW FACTOR為0N，運行參數(shù)的設(shè)置在輻射傳熱計算中的Radiation模塊設(shè)定,福射扣箱及模殼相對應(yīng)； 完成輻射傳熱分析后，得到模殼及鑄件的溫度分布及傳熱規(guī)律，即溫度場分布圖；根據(jù)溫度分布情況和模型進行溫度梯度計算，得到溫度梯度分布圖；并結(jié)合熱應(yīng)力場分布情況、溫度場分布情況及溫度梯度分布情況，進行綜合分析，指導(dǎo)鑄型設(shè)計。
6.如權(quán)利要求5所述的單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，其特征在于，所述的輻射扣箱的移動速率設(shè)置為鑄件用金屬液的凝固速率。
7.如權(quán)利要求1所述的單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，其特征在于，設(shè)計初始陶瓷鑄型，利用有限元軟件進行定向凝固過程中的傳熱及晶粒組織分析，針對截面突變處陶瓷型殼厚大，傳熱能力降低，容易造成晶體缺陷，以鑄型強度作為初始邊界條件，通過拓撲優(yōu)化，改進鑄型結(jié)構(gòu)，設(shè)計傳熱通道，提高該處傳熱能力。
8.如權(quán)利要求1所述的單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，其特征在于，所述通過光固化快速成型技術(shù)制造出樹脂原型模為: 光固化樹脂模具的設(shè)計在UG軟件中完成，基于定型鑄型，根據(jù)部件的功能和形狀確定澆注位置、設(shè)計澆冒口 ；并根據(jù)GB/T6414-1999增加鑄造圓角R0.5~I ;光固化樹脂模具添加燒注外殼，外殼厚I~2mm,并在外殼上添加增強肋片； 在光固化樹脂模具設(shè)計完成后以STL形式導(dǎo)出，再將STL文件導(dǎo)入Magics軟件中抽殼、添加支撐，導(dǎo)出SLC文件JfSLC文件加載到光固化成型機RPbuild軟件中，控制光固化成型機自動制備樹脂件； 制備完成后，去除樹脂件輔助支撐，用酒精清洗樹脂原型件2~3次，保證殘留液態(tài)樹脂完全清理干凈。
9.如權(quán)利要求1所述的單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，其特征在于，所述凝膠注模成型采用以下方法進行陶瓷漿料的制備: 1)依據(jù)光固化樹脂模具的容積及陶瓷粉料顆粒的固相含量計算去離子水的體積，然后依次加入有機單體、交聯(lián)劑和分散劑，攪拌溶解，用濃氨水調(diào)節(jié)溶液的pH值為10~11，得到有機物濃度為20%的預(yù)混液； 2)將陶瓷粉料分批加入預(yù)混液中，加入2~3倍質(zhì)量的磨球，球墨Ih左右，獲得粘度小于IPa.S、固相體積分數(shù)為58~63vol%的陶瓷漿料； 所述的陶瓷粉料主要包括粒度40 μ m的粗顆粒氧化鋁粉體、粒度2~5 μ m的細顆粒的氧化鋁粉體和氧化鎂礦化劑。
10.如權(quán)利要求1所述的單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，其特征在于，所述的凝膠注模的方法制備單晶渦輪葉片陶瓷鑄型包括: 1)依次將催化劑及引發(fā)劑加入陶瓷漿料，并使其快速均勻分散，接著將樹脂原型模具放置于振動注漿機中，振動頻率為30HZ~60Hz，注入陶瓷漿料，獲得陶瓷素坯；然后在真空下冷凍干燥，使陶瓷素坯中的水分從固態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)； 2)然后將陶瓷素坯脫去樹脂，脫去樹脂后預(yù)燒結(jié)，預(yù)燒結(jié)溫度<1250°C;預(yù)燒結(jié)后的陶瓷鑄型內(nèi)部存在一定的灰燼，用壓縮空氣對陶瓷型殼內(nèi)的殘留灰燼進行清理，壓縮空氣壓力小于2Mpa ； 3)最后進行終燒結(jié)，燒結(jié)溫度1350°C~1550°C，獲得陶瓷鑄型。
【文檔編號】B22C9/22GK103464690SQ201310376704
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月26日
【發(fā)明者】李滌塵, 魯中良, 苗愷 申請人:西安交通大學(xué), 西安瑞特快速制造工程研究有限公司